摘要
Ti/Al异种材料复合结构的连接在航空航天和汽车工业中具有潜在的应用价值，Ti/Al复合结构的应用将结合钛合金和铝合金的优点。但是，钛合金和铝合金在物理和化学性能上有许多差异，因此很难实现较好的冶金结合。目前，搅拌摩擦焊(FSW)被认为是一种用于异种合金连接最有前途的低热输入焊接技术。本文采用无针搅拌摩擦点焊(Pinless Friction Stir Spot Welding, PFSSW)的新方法对TC4钛合金和2A12铝合金进行搭接点焊，开展了Ti/Al异种金属无针搅拌摩擦点焊工艺及界面形成特征的系统研究，分析了焊接工艺参数对接头宏观成形、微观组织结构以及力学性能的影响规律，并采用EDS、SEM和微区XRD对接头界面元素分布、界面结构以及物相分布进行了分析总结。 铝合金相对钛合金更容易受焊接热输入和搅拌头挤压的影响，因此接头铝侧微观组织以及界面结合情况在不同的工艺参数下易发生明显变化。焊接参数较小时，铝侧只形成热影响区和母材区且界面结合较差，界面处未出现连续的TiAl3化合物层；焊接参数适中时，铝侧出现熔核区、熔合线区、热影响区和母材区四个区域且界面有呈带状分布的TiAl3化合物层；焊接参数过大时，会导致焊点铝侧出现明显的热裂纹以及孔洞等缺陷，界面化合物层也会出现变厚的现象。焊点铝侧晶界处析出大量的共晶组织Al2CuMg和Al2Cu是导致缺陷产生的重要因素。 接头力学性能测试结果表明，接头铝侧的显微硬度值关于焊点中心对称，且呈现典型的“W”状分布。熔核区硬度略微升高与晶界处的低熔点共晶组织Al2CuMg和Al2Cu的存在有很大关系。随着焊接时间、搅拌头的旋转速度以及搅拌头的下压量的增大，接头承载的拉伸剪切力呈现先增大后减小的趋势。当搅拌头旋转速度为1180rpm、焊接时间90s以及搅拌头下压量为0.3mm时，接头拉伸剪切力最大达到19.20kN。不同焊接参数下，接头宏观断裂形式出现界面断裂、铝侧剥离断裂、铝侧底部断裂以及铝侧边缘断裂四种形式。微观断口分析表明接头主要为脆性断裂，断口处发现撕裂棱、冰糖花样等明显的脆性断裂特征。 界面温度的高低决定接头的反应形式，温度低于铝母材熔点时为固-固反应，高于铝母材熔点时为典型的固-液熔钎焊反应。熔钎焊反应的接头铝侧组织经历受热长大、部分熔化和完全熔化三个阶段，最终形成组织各异的区域。接头界面中间区域主要是TiAl3化合物层，接近界面两侧化合物层逐渐消失。无针搅拌头的旋转压力和热输入将界面铝侧Cu等元素挤压到界面边缘区域，为Ti/Al两种元素的冶金反应提供良好的环境。最终，元素分析表明在界面处发生明显的Ti原子向铝侧扩散溶解的现象。结合界面温度测量结果和Ti/Al化合物形成热力学理论依据，分析确认界面处最易形成的Ti-Al系化合物为TiAl3。
NETL